The Ricci Flow in Riemannian Geometry

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出版者:Springer
作者:Ben Andrews
出品人:
页数:302
译者:
出版时间:2010-11-29
价格:USD 59.95
装帧:Paperback
isbn号码:9783642162855
丛书系列:Lecture Notes in Mathematics
图书标签:
  • 数学
  • 微分几何
  • 微分几何7
  • 几何
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具体描述

This book focuses on Hamilton's Ricci flow, beginning with a detailed discussion of the required aspects of differential geometry, progressing through existence and regularity theory, compactness theorems for Riemannian manifolds, and Perelman's noncollapsing results, and culminating in a detailed analysis of the evolution of curvature, where recent breakthroughs of Böhm and Wilking and Brendle and Schoen have led to a proof of the differentiable 1/4-pinching sphere theorem.

几何与拓扑的交汇:微分几何中的现代视角 内容提要: 本书旨在为读者提供一个关于微分几何核心概念的全面而深入的导论,重点关注流形理论、黎曼几何的基础构造,以及现代几何分析在理解空间结构和拓扑性质中的应用。本书不仅涵盖了微分流形、张量分析、联络与曲率等经典主题,还详细探讨了拟态几何、卡拉比-丘流形理论的开端,以及拓扑与分析之间的深刻联系。通过严谨的数学阐述和丰富的几何直观引导,本书致力于帮助读者建立起坚实的几何思维框架。 --- 第一部分:基础结构与微分流形的构造 第一章:光滑流形的构造与拓扑基础 本章从集合论和一般拓扑学的基本概念出发,系统地引入微分流形的概念。我们首先回顾必要的拓扑工具,如紧致性、连通性以及度量空间理论在流形研究中的意义。随后,重点阐述开图册(Atlas)和坐标变换的意义,这是微分几何区别于传统微积分的关键所在。我们将详细讨论可微结构的存在性,并证明一些基础流形的例子(如球面、环面)的光滑性。本章还引入了切空间(Tangent Space)的概念,将其视为流形上点集上的线性化结构,为后续的向量场和张量分析奠定基础。 第二章:向量场、微分形式与张量代数 向量场是微分几何中描述速度、力或方向场的基本工具。本章深入探讨向量场的定义、性质及其在流形上的积分曲线。接着,我们将视野转向微分形式(Differential Forms),这是外微分代数的核心。从1-形式(线性泛函)到 $k$-形式的构造,我们详述了外微分算子 $d$ 的定义,并证明了其关键性质 $d^2 = 0$(即德拉姆复形的基础)。本章的后半部分专门用于阐述张量代数:协变张量、反变张量和混合张量的定义、指标标记法(爱因斯坦求和约定),以及它们在坐标变换下的行为,这是后续黎曼度量的引入所必需的代数框架。 第三章:联络、测地线与可微结构的保持 理解流形上的“平直”或“曲率”需要引入联络(Connection)的概念。本章集中于仿射联络,尤其是列维-奇维塔联络(Levi-Civita Connection)的唯一性构造——它由黎曼度量唯一确定,并保证了度量的平行移动保持正交性。我们将详细推导黎曼度量张量 $g$ 的坐标表示,并阐述如何利用联络计算协变导数(Covariant Derivative)。核心应用是测地线方程的建立,测地线是流形上的“最短路径”或“最直的路径”。本章通过分析测地线的局部存在性与唯一性定理,将分析方法与几何结构紧密结合。 --- 第二部分:黎曼几何的核心——曲率与度量 第四章:黎曼曲率的几何解释与代数结构 曲率是衡量空间偏离平坦性质的量度。本章聚焦于黎曼曲率张量 $R$ 的精确定义,它是通过联络的非交换性(即两个二阶协变导数顺序交换的误差)来定义的。我们将详细分析黎曼曲率张量的对称性、第一对 Bianchi 恒等式,以及其在四维空间中的几何含义(如截面曲率)。通过Ricci 张量 $Ric$ 和数量曲率 $S$ 的定义,我们将曲率信息从四阶张量降维到二阶和标量,为爱因斯坦方程等物理应用的理解铺平道路。 第五章:测地线、切丛与指数映射 本章深化了对测地线的研究,并引入了指数映射(Exponential Map)这一关键工具。指数映射将切空间中的向量平移到流形上,是研究流形局部结构和测地线完备性的桥梁。我们讨论了测地线完备性的概念,以及完备黎曼流形的重要性。此外,本章还考察了切向量丛,探讨了曲率如何影响附近测地线的“汇聚”或“发散”行为,这是对几何直观理解的量化。 第六章:黎曼流形的等距变换与对称性 对称性在几何学中占据核心地位。本章引入了等距变换群(Isometry Group),即保持黎曼度量不变的流形上的自同胚。我们详细讨论了Killing 向量场,它们是生成等距变换群的无穷小生成元,与李群理论紧密相关。以球面的等距群(旋转群 $SO(n+1)$)和欧几里得空间为例,展示了如何利用对称性简化曲率计算和几何分析。 --- 第三部分:几何分析与现代前沿的引入 第七章:德拉姆上同调与拓扑不变量 本章将分析工具应用于拓扑结构的研究。我们回顾德拉姆上同调(de Rham Cohomology)的定义,并利用庞加莱引理和勒姆定理(Poincaré Lemma and Hodge Theorem)证明了光滑流形上上同调群的计算方法。上同调群作为流形的拓扑不变量,能有效区分拓扑性质不同的流形。我们探讨了闭微分形式的拓扑意义,以及上同调类与流形“洞”的对应关系。 第八章:调和形式与霍奇理论 在具有黎曼度量的流形上,我们可以引入拉普拉斯-德拉姆算子 $Delta$,这是曲率张量、度量和微分算子组合而成的二阶椭圆算子。本章的核心是调和形式(Harmonic Forms),即满足 $Delta omega = 0$ 的微分形式。通过霍奇分解定理,我们将任意微分形式分解为调和形式、边界相关项和算子像的组合,展示了黎曼几何如何为调和分析提供一个丰富的背景空间。 第九章:极值曲面与变分法简介 几何对象往往可以通过最小化某个泛函(如面积、长度)来定义。本章引入面积泛函和极值曲面(Minimal Surfaces)的概念,它们是该泛函的临界点。我们使用泛函的变分法来推导极值曲面的Mean Curvature 方程。虽然本章不深入探讨 Ricci 流,但会引入曲面平均曲率的概念,并简要说明几何流在演化曲面和度量结构方面所展现的强大潜力,作为对后续高级主题的展望。 --- 目标读者: 本书适合具有扎实实微积分、线性代数和一般拓扑学基础的数学、物理和工程学高年级本科生及研究生。它为希望深入研究微分几何、广义相对论、规范场论或几何分析等领域的读者提供了必要的数学工具和深刻的几何洞察。

作者简介

目录信息

Preface
Contents
Notation and List of Symbols
1: Introduction
1.1 Manifolds with Constant Sectional Curvature
1.2 The Topological Sphere Theorem
1.2.1 Remarks on the Classical Proof
1.2.2 Manifolds with Positive Isotropic Curvature
1.2.3 A Question of Optimality
1.3 The Differentiable Sphere Theorem
1.3.1 The Ricci Flow
1.3.2 Ricci Flow in Higher Dimensions
1.4 Where to Next?
2: Background Material
2.1 Smooth Manifolds
2.1.1 Tangent Space
2.2 Vector Bundles
2.2.1 Subbundles
2.2.2 Frame Bundles
2.3 Tensors
2.3.1 Tensor Products
2.3.2 Tensor Contractions
2.3.3 Tensor Bundles and Tensor Fields
2.3.4 Dual Bundles
2.3.5 Tensor Products of Bundles
2.3.6 A Test for Tensorality
2.4 Metric Tensors
2.4.1 Riemannian Metrics
2.4.2 The Product Metric
2.4.3 Metric Contractions
2.4.4 Metrics on Bundles
2.4.5 Metric on Dual Bundles
2.4.6 Metric on Tensor Product Bundles
2.5 Connections
2.5.1 Covariant Derivative of Tensor Fields
2.5.2 The Second Covariant Derivative of Tensor Fields
2.5.3 Connections on Dual and Tensor Product Bundles
2.5.4 The Levi–Civita Connection
2.6 Connection Laplacian
2.7 Curvature
2.7.1 Curvature on Vector Bundles
2.7.2 Curvature on Dual and Tensor Product Bundles
2.7.3 Curvature on the Tensor Bundle
2.7.4 Riemannian Curvature
2.7.5 Ricci and Scalar Curvature
2.7.6 Sectional Curvature
2.7.7 Berger's Lemma
2.8 Pullback Bundle Structure
2.8.1 Restrictions
2.8.2 Pushforwards
2.8.3 Pullbacks of Tensors
2.8.4 The Pullback Connection
2.8.5 Parallel Transport
2.8.6 Product Manifolds' Tangent Space Decomposition
2.8.7 Connections and Metrics on Subbundles
2.8.8 The Taylor Expansion of a Riemannian Metric
2.9 Integration and Divergence Theorems
2.9.1 Remarks on the Divergence Expression
3: Harmonic Mappings
3.1 Global Existence of Geodesics
3.2 Harmonic Map Heat Flow
3.2.1 Gradient Flow of E
3.2.2 Evolution of the Energy Density
3.2.3 Energy Density Bounds
3.2.4 Higher Regularity
3.2.5 Stability Lemma of Hartman
3.2.6 Convergence to a Harmonic Map
3.2.7 Further Results
4: Evolution of the Curvature
4.1 Introducing the Ricci Flow
4.1.1 Exact Solutions
4.1.2 Diffeomorphism Invariance
4.1.3 Parabolic Rescaling of the Ricci Flow
4.2 The Laplacian of Curvature
4.2.1 Quadratic Curvature Tensor
4.2.2 Calculating the Connection Laplacian ΔR_{ijkl}
4.3 Metric Variation Formulas
4.3.1 Interpreting the Time Derivative
4.3.2 Variation Formulas of the Curvature
4.4 Evolution of the Curvature Under the Ricci Flow
4.5 A Closer Look at the Curvature Tensor
4.5.1 Kulkarni–Nomizu Product
4.5.2 Weyl Curvature Tensor
4.5.3 Sphere Theorem of Huisken–Margerin–Nishikawa
5: Short-Time Existence
5.1 The Symbol
5.1.1 Linear Differential Operators
5.1.2 Nonlinear Differential Operators
5.2 The Linearisation of the Ricci Tensor
5.3 Ellipticity and the Bianchi Identities
5.3.1 Diffeomorphism Invariance of Curvature and the Bianchi Identities
5.4 DeTurck's Trick
5.4.1 Motivation
5.4.2 Relating Ricci–DeTurck Flow to Ricci Flow
6: Uhlenbeck's Trick
6.1 Abstract Bundle Approach
6.2 Orthonormal Frame Approach
6.2.1 The Frame Bundle
6.2.2 Time-Dependent Frame Bundlesand the Ricci Flow
6.3 Time-Dependent Metrics and Vector Bundles Over M × mathbb{R}
6.3.1 Spatial Tangent Bundleand Time-Dependent Metrics
6.3.2 Alternative Derivation of the Evolution of Curvature Equation
7: The Weak Maximum Principle
7.1 Elementary Analysis
7.2 Scalar Maximum Principle
7.2.1 Lower Bounds on the Scalar Curvature
7.2.2 Doubling-Time Estimates
7.3 Maximum Principle for Symmetric 2-Tensors
7.4 Vector Bundle Maximum Principle
7.4.1 Statement of Maximum Principle
7.5 Applications of the Vector Bundle Maximum Principle
7.5.1 Maximum Principle for Symmetric 2-Tensors Revisited
7.5.2 Reaction-Diffusion Equation Applications
7.5.3 Applications to the Ricci Flow When n = 3
8: Regularity and Long-Time Existence
8.1 Regularity: The Global Shi Estimates
8.2 Long-Time Existence
9: The Compactness Theorem for Riemannian Manifolds
9.1 Different Notions of Convergence
9.1.1 Convergence of Continuous Functions
9.1.2 The Space of C^∞-Functions and the C^p-Norm
9.1.3 Convergence of a Sequence of Sections of a Bundle
9.2 Cheeger–Gromov Convergence
9.2.1 Expanding Sphere Example
9.2.2 The Rosenau Metrics
9.3 Statement of the Compactness Theorem
9.3.1 Statement of the Compactness Theorem for Flows
9.4 Proof of the Compactness Theorem for Flows
9.4.1 The Arzelà–Ascoli Theorem
9.4.2 The Proof
9.5 Blowing Up of Singularities
10: The mathcal{F}-functional and Gradient Flows
10.1 Introducing the Gradient Flow Formulation
10.2 Einstein-Hilbert Functional
10.3 The mathcal{F}-functional
10.4 Gradient Flow of mathcal{F}^m and Associated Coupled Equations
10.4.1 Coupled Systems and the Ricci Flow
10.4.2 Monotonicity of mathcal{F} from the Monotonicity of mathcal{F}^m
11: The mathcal{W}-Functional and Local Noncollapsing
11.1 Entropy mathcal{W}-Functional
11.2 Gradient Flow of mathcal{W} and Monotonicity
11.2.1 Monotonicity of mathcal{W} from a Pointwise Estimate
11.3 µ-Functional
11.4 Local Noncollapsing Theorem
11.4.1 Local Noncollapsing Implies Injectivity Radius Bounds
11.5 The Blow-Up of Singularities and Local Noncollapsing
11.6 Remarks Concerning Perel'man's MotivationFrom Physics
12: An Algebraic Identity for Curvature Operators
12.1 A Closer Look at Tensor Bundles
12.1.1 Invariant Tensor Bundles
12.1.2 Constructing Subsets in Invariant Subbundles
12.1.3 Checking that the Vector Field Pointsinto the Set
12.2 Algebraic Curvature Operators
12.2.1 Interpreting the Reaction Terms
12.2.2 Algebraic Relationships and Generalisations
12.3 Decomposition of Algebraic Curvature Operators
12.3.1 Schur's Lemma
12.3.2 The Q-Operator and the Weyl Subspace
12.3.3 Algebraic Lemmas of Böhm and Wilking
12.4 A Family of Transformations for the Ricci flow
13: The Cone Construction of Böhm and Wilking
13.1 New Invariant Sets
13.1.1 Initial Cone Assumptions
13.2 Generalised Pinching Sets
13.2.1 Generalised Pinching Set Existence Theorem
14: Preserving Positive Isotropic Curvature
14.1 Positive Isotropic Curvature
14.2 The 1/4-Pinching Condition and PIC
14.2.1 The Cone Ĉ_{PIC_k}
14.2.2 An Algebraic Characterisation of the Cone Ĉ_{PIC_2}
14.3 PIC is Preserved by the Ricci Flow
14.3.1 Inequalities from the Second Derivative Test
14.4 PCSC is Preserved by the Ricci Flow
14.4.1 The Mok Lemma
14.4.2 Preservation of PCSC Proof
14.4.3 Relating PCSC to PIC
14.5 Preserving PIC Using the Complexification
15: The Final Argument
15.1 Proof of the Sphere Theorem
15.2 Refined Convergence Result
15.2.1 A Preserved Set Between Ĉ_{PIC_1} and Ĉ_{PIC_2}
15.2.2 A Pinching Set Argument
Appendix A: Gâteaux and Fréchet Differentiability
A.1 Properties of the Gateaux Derivative
Appendix B: Cones, Convex Sets and Support Functions
B.1 Convex Sets
B.2 Support Functions
B.3 The Distance From a Convex Set
B.4 Tangent and Normal Cones
B.5 Convex Sets Defined by Inequalities
Appendix C: Canonically Identifying Tensor Spaces with Lie Algebras
C.1 Lie Algebras
C.2 Tensor Spaces as Lie Algebras
C.3 The Space of Second Exterior Powers as a Lie Algebra
C.3.1 The space igwedge V* as a Lie Algebra
References
Index
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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这本被寄予厚望的著作,名为《黎曼几何中的里奇流》,从封面设计到内页排版,都散发出一种严谨而深邃的学术气息。初翻阅时,我立刻被其宏大的叙事结构所吸引。作者似乎试图构建一个完整的知识体系,将里奇流这一核心概念置于整个微分几何的广阔背景之下进行考察。书中对基本概念的引入并非敷衍了事,而是力求扎实,从曲率张量的定义到黎曼度量的演化方程,每一步推导都显得逻辑清晰,毫不拖泥带水。尤其在处理奇异性形成的问题时,作者展现出了非凡的洞察力,不同于某些教科书的平铺直叙,这里似乎融入了作者多年研究的切身体会,使得枯燥的偏微分方程拥有了某种几何直觉上的美感。我特别欣赏其在引言部分对历史脉络的梳理,它不仅交代了里奇流的起源,更将这一工具的出现与二十世纪以来微分几何学派的演变紧密联系起来,为读者提供了一个理解“为什么是里奇流”的深刻视角。这本书无疑是为那些已经具备一定现代微分几何基础的读者准备的“硬菜”,它要求读者不仅要熟悉基础工具,更要准备好迎接概念上的深度挑战。对于希望从“了解”里奇流到“掌握”其精髓的研究者来说,它提供了一个极佳的起点,尽管阅读过程无疑是充满汗水的。

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这本书在内容组织上呈现出一种“螺旋上升”的态势,从基础的几何结构出发,逐步引入里奇流,然后立即将目光投向更复杂的多样体,例如卡拉比-丘流形上的应用。我个人认为,这种结构安排的巧妙之处在于,它避免了将理论与应用完全割裂开来。每当引入一个新的技术概念,比如“$mathcal{W}$ 算子”或者“$mathcal{L}$ 算子”的性质时,作者总会立刻联系到这些工具在解决特定几何问题时的具体作用。这种紧密的联系使得学习过程不至于陷入纯粹的公式推导泥潭。特别是关于高维流的稳定性分析部分,作者似乎借鉴了流体力学中的一些视角,用动力系统的语言来描述几何的演化,这对于习惯于传统微分几何语言的读者来说,提供了一种全新的、富有启发性的思维模式。唯一略感遗憾的是,虽然应用广泛,但对于一些前沿的数值模拟方法,书中提及较少,可能更侧重于纯数学的理论证明。不过,作为一本奠定基础的专著,它成功地构建了一套清晰的研究路径图。

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读完这本书,最大的感受是其在理论深度上所达到的高度令人敬畏。它并非仅仅是关于里奇流演化方程的机械罗列,而是深入到了流线理论的拓扑性质以及空间形态如何随时间重构的本质。作者在证明过程中大量使用了泛函分析的工具,这使得证明过程极其严密,几乎不留任何逻辑漏洞,但也相应地提高了阅读门槛。我注意到书中对“规范”的选择和“热核”的估计部分着墨甚多,这表明作者非常注重对解的正则性和长期行为的把握,这在处理曲率奇点时是至关重要的技术环节。书中对一些著名猜想(例如庞加莱猜想与里奇流的关系)的论述,没有停留在表面的介绍,而是深入到关键步骤的剖析,展示了如何利用里奇流的耗散特性来导出关于拓扑的结论。对于习惯于直观几何图像的读者而言,这本书可能需要反复研读和思考,因为它更多地依赖于严格的分析框架来支撑其几何结论。总的来说,这本书的价值不在于速度,而在于其为读者打下的分析基础有多么坚实,它是一本“慢读”的经典。

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从宏观视角来看,这本书成功地将里奇流的工具箱打造得无比完善。它不仅仅关注于标准的里奇流(Ricci Flow),还触及了其变体,如具有常数标量曲率的流(Ք-flow)以及一些在奇异性解析中必须考虑的修正项。书中对“尖化”和“平坦化”两种极端演化模式的对比分析,清晰地揭示了里奇流在不同几何背景下的双重性格。这种平衡的视角,使得读者能够全面地理解该工具的适用范围和局限性。尤其令人称道的是,作者在讨论解的全局存在性时,引入了现代几何学中关于“度量粘合”和“分解”的深层结构,这使得原本抽象的分析过程,具备了清晰的几何图像支撑。总而言之,这本《黎曼几何中的里奇流》不是一本用来消遣的书籍,它是一份严肃的研究宣言,一份为后来者铺设坚实理论地基的典范之作。它的价值不在于它能让你多快学会,而在于它能让你对这个领域理解得有多么深刻。

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阅读体验上,这本书的写作风格异常的凝练,简直可以说是惜字如金。每一句话似乎都承载了相当的信息量,这既是优点,也是挑战。对于初次接触里奇流的读者,可能会感到有些吃力,因为很多背景知识被默认读者已经掌握,作者没有花篇幅进行过多的回顾。但是,对于有志于深入研究的学者而言,这种风格无疑是高效且令人愉悦的,它避免了不必要的冗余,直击问题的核心。书中图表的运用相对节制,更多依赖于符号和方程来构建论证的骨架,这体现了一种古典数学的严谨性。我特别注意到,作者在章节末尾设置了一些难度较大的“思考题”或“延伸问题”,这些问题往往指向了该领域尚未完全解决的难点,极大地激发了读者的探索欲。这本书仿佛一位经验丰富的导师,在你面前铺开了一张精密绘制的地图,指明了方向,但攀登过程中的每一个脚印都需要自己去踏实地印下。它不提供捷径,只提供最可靠的路线。

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本书的目标定理完备单连通黎曼流形的截面曲率在1-4,那么同胚与n球,同胚能否换做微分同胚。Cheeger–Gromov紧性定理。里奇流作为几何型的热方程,Perel’man的单调性公式和奇异分解,新的关于里奇流收敛定理

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本书的目标定理完备单连通黎曼流形的截面曲率在1-4,那么同胚与n球,同胚能否换做微分同胚。Cheeger–Gromov紧性定理。里奇流作为几何型的热方程,Perel’man的单调性公式和奇异分解,新的关于里奇流收敛定理

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